SU1724712A1

SU1724712A1 - Method for preparation of rare-earth metal-iron alloys for permanent magnet

Info

Publication number: SU1724712A1
Application number: SU904824437A
Authority: SU
Inventors: Валерий Дмитриевич Косынкин; Михаил Михайлович Верклов; Андрей Дмитриевич Быков; Алексей Николаевич Быстров; Иван Павлович Соколов; Владимир Павлович Плотников; Валентин Иосифович Сушко; Владимир Ильич Антонов; Владимир Николаевич Кобозев; Виктор Яковлевич Боровик; Сергей Владимирович Потанин
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт химической технологии; Силламяйское Химико-Металлургическое Производственное Объединение; Московский химико-технологический институт им.Д.И.Менделеева
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1992-04-07

Abstract

Использование: производство магнитных сплавов или лигатур на основе редкоземельных металлов с железом. Сущность изобретени : получение сплавов редкоземельный металл - железо дл посто нных магнитов кальциетермическим восстановлением фторидов редкоземельных металлов в присутствии хлорида кальци и железного порошка при нагреве шихты до 650-700&deg;С с выдержкой при этой температуре 30-60 мин и последующим повышением температуры до расплавлени продуктов со скоростью 20-100 град/мин. 1 табл. ёUse: manufacture of magnetic alloys or master alloys based on rare earth metals with iron. SUMMARY OF THE INVENTION: Preparation of rare earth metal alloys for permanent magnets by calcium thermal reduction of rare earth metal fluorides in the presence of calcium chloride and iron powder by heating the mixture to 650-700 ° C with aging at this temperature for 30-60 minutes and then raising the temperature to melting products at a rate of 20-100 degrees / min. 1 tab. yo

Description

Изобретение относитс к производству магнитных сплавов или лигатур на основе редкоземельных металлов (РЗМ) с железом, имеющих более высокие энергетические характеристики по сравнению с другими маг- нитотвердыми материалами.The invention relates to the production of magnetic alloys or master alloys based on rare earth metals (REM) with iron, which have higher energy characteristics as compared to other magnetically solid materials.

Известен способ получени сплавов путем сплавлени чистых РЗМ с железом и другими компонентами сплава.A known method for producing alloys by fusing pure REM with iron and other alloy components.

Осуществление такого способа требует получени на первой стадии чистых РЗМ, что само по себе довольно сложна малопроизводительна и энергоемка операци с использованием дорогосто щих танталовых тиглей и дальнейшего спавлени их с железом, также при высоких температурах в алундовых керамических или набивных тигл х.The implementation of such a method requires the production of pure REMs at the first stage, which in itself is rather complex, inefficient and energy-intensive operation using expensive tantalum crucibles and their further decomposition with iron, also at high temperatures in alundum ceramic or printed crucibles.

Известен способ получени магнитных сплавов неодим-железо или неодим-железо-бор путем пр мого кальциетермического восстановлени хлорида неодима в присутствии железного порошка и хлорида кальци . Процесс ведут при 750-1000°С с выдержкой 1 ч.A known method for producing magnetic alloys of neodymium-iron or neodymium-iron-boron by direct calcium-thermal reduction of neodymium chloride in the presence of iron powder and calcium chloride. The process is conducted at 750-1000 ° C with a shutter speed of 1 hour.

Недостатком этого способа вл етс применение в качестве исходного материала весьма гигроскопичного хлорида неодима , требующего специальной сушки перед использованием.The disadvantage of this method is the use of highly hygroscopic neodymium chloride as a starting material, which requires special drying before use.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению вл етс способ , где в качестве основного исходного компонента используетс фторид неодима. Способ осуществл етс следующим образом . Шихту, состо щую из фторида неодиЫThe closest in technical essence to the invention is a method where neodymium fluoride is used as the main source component. The method is carried out as follows. The mixture consisting of neodyE fluoride

ЮYU

ЁYo

:Ю:YU

ма, хлорида кальци , металлического железа и стружки кальци , загружают в стальной тигель, расплавл ют в инертной атмосфере при 750-1000°С. Расплав выдерживают при 1 ч и затем сливают в металлическую изложницу . Однако тигель в данном случае под- плавл етс . Извлечение неодима в слиток составл ет 93,2-94,5%.Calcium chloride, metallic iron and calcium chips are loaded into a steel crucible, melted in an inert atmosphere at 750-1000 ° C. The melt is maintained at 1 h and then poured into a metal mold. However, the crucible is melted in this case. The recovery of neodymium into an ingot is 93.2-94.5%.

Недостатками способа можно считать недостаточно высокое извлечение неодима в слиток, повышенную энергоемкость процесса и малый срок службы реакционных тиглей в результате длительных выдержек расплавленных металлической и шлаковой фаз.The disadvantages of the method can be considered insufficiently high extraction of neodymium in the ingot, the increased energy intensity of the process and the short service life of the reaction crucibles as a result of long exposures of the molten metal and slag phases.

Целью изобретени вл етс повышение извлечени РЗМ в слиток, снижение энергозатрат и увеличение срока службы реакционого тигл .The aim of the invention is to increase the recovery of REM into the ingot, reduce energy consumption and increase the service life of the reaction crucible.

Поставленна цель достигаетс тем, что нагрев шихты ведут до 650-700°С, выдерживают при этой температуре 30-60 мин, а затем повышаюттемпературудо расплавлени продуктов плавки со скоростью 20-100 град/мин с последующим сливом расплава в изложницу.The goal is achieved by heating the charge to 650-700 ° C, being kept at this temperature for 30-60 minutes, and then increasing the temperature of the melting melting products at a speed of 20-100 degrees / minute, followed by pouring the melt into a mold.

Предлагаемый режим проведени процесса отличаетс тем, что температура 650- 700°С обеспечивает протекание восстановительной реакции РЗМРз+3/2 Са РЗМ н- 3/2CaF2, когда все компоненты наход тс в твердом состо нии, а равновесие сдвигаетс в сторону образовани РЗМ за счет диффузии металла через шлаковую фазу. Взаимодействие фторидов РЗМ с кальцием в твердофазном диффузионном режиме обеспечивает увеличение степени восстановлени РЗМ за счет снижени испарени кальци и соответственно повышени его концентрации в шихте. Спекание шихты, происход щее при 650-700°С, улучшает контакт реагентов во врем восстановлени . Оно также приводит к сближению твердых частиц РЗМ и железа, способствует их дальнейшему взаимодействию и коалес- ценции в расплаве. Все это способствует повышению извлечени металлов в слиток. Кроме того, твердофазное восстановление и спекание шихты позвол ют свести до минимума врем контакта расплава с.тиглем и значительно увеличить срок службы последнего . Выдержка шихты при более низких температурах позвол ет снизить энергозатраты на проведение процесса.The proposed mode of carrying out the process is characterized in that the temperature of 650-700 ° C ensures the occurrence of the reduction reaction REMP + 3/2 Ca REM n- 3 / 2CaF2, when all components are in a solid state, and the equilibrium is shifted towards the formation of REM due to diffusion of metal through the slag phase. The interaction of fluoride of rare-earth metals with calcium in the solid-phase diffusion mode provides an increase in the degree of recovery of rare-earth metals by reducing evaporation of calcium and, accordingly, increasing its concentration in the mixture. The sintering of the charge, which occurs at 650-700 ° C, improves the contact of the reactants during the reduction. It also leads to the convergence of solid particles of rare-earth metals and iron, contributes to their further interaction and coalescence in the melt. All this contributes to increasing the recovery of metals into the ingot. In addition, the solid-phase reduction and sintering of the charge make it possible to minimize the contact time of the melt with a crucible and significantly increase the service life of the latter. Exposure of the charge at lower temperatures allows reducing the energy consumption for the process.

Скорость дальнейшего нагрева шихты до полного расплавлени (20-100 град/мин) определ ет степень коалесценции частиц металлов, полноту формировани слитка, а также врем взаимодействи расплава с материалом тигл .The rate of further heating of the charge to complete melting (20-100 degrees / min) determines the degree of coalescence of metal particles, the complete formation of the ingot, as well as the time of interaction of the melt with the crucible material.

Способ осуществл ют следующим образом .The method is carried out as follows.

Шихту, состо щую из фторидов РЗМ, хлорида кальци , а также металлическогоThe mixture consisting of fluoride of rare-earth metals, calcium chloride, and metallic

железа и стружки кальци , перемешивают и загружают в реакционный стальной тигель, который помещают в рабочую зону печи. В качестве фторидов РЗМ могут использоватьс фториды неодима, празеодима, цери , терби , диспрози , иттерби , сканди как отдельно, так и в смеси при любом соотношении . Печьвакуумируют до остаточного давлени 1 -10 мм рт.ст., а затем заполн ют инертным газом. Нагрев ведутiron and calcium chips, mix and load into the reaction steel crucible, which is placed in the working zone of the furnace. As fluorides of rare-earth metals, neodymium, praseodymium, cerium, terbi, dysprosium, ytterbium, scandium fluorides can be used both separately and in a mixture in any ratio. The furnaces are evacuated to a residual pressure of 1-10 mm Hg, and then filled with an inert gas. Heating lead

до 650-700°С. При этой температуре провод т изотермическую выдержку 30-60 мин, затем шихту нагревают со скоростью 20- 100 град/мин до полного расплавлени , а расплав сразу сливают в металлическую изложницу . После остывани расплава продукты плавки извлекают из изложницы и провод т отделение металлической фазы от. шлаковой.to 650-700 ° C. At this temperature, isothermal aging is carried out for 30-60 minutes, then the mixture is heated at a rate of 20-100 degrees / minute until completely melted, and the melt is immediately poured into a metal mold. After the melt has cooled, the melting products are removed from the mold and the metal phase is separated from. slag.

П р и м е р. В индукционной печи провод т экспериментальные плавки по получению сплавов РЗМ-железо в различных технологических режимах. В процессе работы варьируют температуры и врем твердофазного восстановлени , а также скоростьPRI me R. In an induction furnace, experimental smelting was carried out to obtain REM-iron alloys in various process conditions. In the process, temperatures and time of solid-phase reduction, as well as speed

нагрева шихты до расплавлени продуктов взаимодействи . Параллельно провод т плавку с параметрами аналогичными прототипу .heating the mixture to melt the products of interaction. In parallel, melting is carried out with parameters similar to those of the prototype.

Услови проведени экспериментов и их результаты приведены в таблице.The conditions of the experiments and their results are shown in the table.

Как видно из таблицы, нагрев шихты менее температуры 650°С приводит к сильному понижению показател по извлечению , так как при этих температурах твердофазна восстановительна реакци протекает с очень малой скоростью и в небольшой степени (опыт 2). Выдержка при температуре более 700°С приводит к частичному расплавлению продуктов плавки и соответственно снижению срока службы тигл (опыт 3), а также повышенному расходу электроэнергии. Кроме того, частичное сте- кание расплава на дно тигл приводит кAs can be seen from the table, the heating of the mixture below 650 ° C leads to a strong decrease in the recovery rate, since at these temperatures the solid-phase reduction reaction proceeds at a very low rate and to a small extent (experiment 2). Aging at a temperature of more than 700 ° C leads to a partial melting of the smelting products and, accordingly, a decrease in the service life of the crucibles (experiment 3), as well as an increased power consumption. In addition, the partial melt flow to the bottom of the crucible leads to

нарушению необходимой пропорциональности компонентов шихты в зоне реакции и понижению извлечени РЗМ. При выдержке расплава менее 30 мин восстановительна реакци не протекает полностью вследствие образовани на твердых частицах металла шлаковой корки, диффузи металла через которую раст нута во времени (опыт 4). Увеличение выдержки (более 60 мин) не приводит к повышению извлечени , а обуславливает лишь дополнительные энергетические затраты (опыт 5), Если скоростьviolation of the necessary proportionality of the components of the mixture in the reaction zone and a decrease in the extraction of rare-earth metals. When the melt is exposed to less than 30 minutes, the reduction reaction does not proceed completely due to the formation of a slag crust on the solid metal particles, diffusion of the metal through which it stretches over time (run 4). Increasing the shutter speed (more than 60 min) does not lead to an increase in the extraction, but only causes additional energy costs (experiment 5), if the speed

нагрева шихты менее 20 град/мин, значительно возрастет врем контакта постепенно образующегос расплава шлаковой и металлической фаз с материалом тигл , что снижает срок его службы (опыт 6). В то же врем увеличение скорости нагрева (более 100 град/мин) приводит к ухудшению коа- лесценции мелких частиц металлов, преп тствует процессу формировани слитка (опыт 7) и соответственно понижает извлечение РЗМ. Превышение скорости нагрева вызывает дополнительный расход электроэнергии . В качестве объективной характеристики степени износа тигл используют глубину взаимодействи расплава с его стенками. При проведении плавок согласно прототипу глубина взаимодействи составл ет 4-5 мм за одну плавку (опыт 1). Предлагаемый способ обеспечивает глубину взаимодействи не более 0,5-1 мм за одну плавку.heating the mixture to less than 20 degrees / min, the contact time of the gradually forming molten slag and metal phases with the crucible material will significantly increase, which reduces its service life (experiment 6). At the same time, an increase in the heating rate (more than 100 K / min) leads to a deterioration in the coalescence of fine metal particles, impedes the process of ingot formation (experiment 7) and, accordingly, reduces the extraction of REM. Exceeding the heating rate causes additional power consumption. As an objective characteristic of the degree of wear of the crucible, the depth of interaction of the melt with its walls is used. When conducting the bottoms according to the prototype, the depth of interaction is 4-5 mm per melt (test 1). The proposed method provides a depth of interaction of no more than 0.5-1 mm per smelting.

Энергетические затраты на проведение процесса восстановлени определ ют по потребл емой за все врем проведени плавки мощности. Если по прототипу потребл ема мощность составл ет 90 кВт/ч, то предлагаемые услови проведени про0The energy costs of the recovery process are determined by the power consumed over the entire melting period. If the prototype consumes 90 kWh, then the proposed conditions for carrying out

5five

00

5five

цесса обеспечивают снижение расхода электроэнергии до 37-40 кВт ч.Cessa provide a reduction in power consumption up to 37-40 kWh.

Таким образом из приведенных данных следует, что предлагаемый способ по сравнению с известным позволит повысить извлечение РЗМ в слиток на 2-3%, снизить глубину взаимодействи расплава со стенками тигл , увеличив тем самым срок службы плавильных тиглей (с 2 по известному до 10 плавок по предлагаемому), сократить затраты электроэнергии на длительный нагрев шихты с 90 до 40 кВт ч.Thus, it follows from the above data that the proposed method will increase the extraction of rare-earth metals into an ingot by 2-3% compared to the known method, reduce the depth of interaction of the melt with the walls of the crucibles, thereby increasing the service life of the melting crucibles (from 2 according to the known to 10 melts proposed), to reduce the cost of electricity for long-term heating of the charge from 90 to 40 kWh.

Claims

The method of producing rare earth metal-iron alloys for permanent magnets, including the calcium-thermal reduction of rare earth metals fluorides in the presence of calcium chloride and iron powder upon heating of the charge, characterized in that. in order to increase the extraction of rare earth metal into an ingot, reduce energy consumption and increase the service life of the reaction crucible, the charge is heated to 650-700 ° C with an exposure at this temperature for 30-60 minutes and then increasing the temperature to melt the products at a speed of 20-100 degrees / min